一种多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统及方法，包括：多旋翼无人机子系统、信号源链路子系统、接收链路子系统和数据处理子系统。本发明专利技术使用多旋翼无人机在待测天线的近远场区域按照设定巡航任务进行飞行，通过对信号源链路模块进行远程实时控制，实时扫频接收空中的电磁波信号，通过对接收的电平信号进行筛选、误差补偿和数据拟合，生成最终的方向图信息，并给出最大辐射方向，3dB波瓣宽度，副瓣电平，前后比及其对应的位置信息。本发明专利技术可以实现大型天线在服役状态下的实地方向图性能测量，为故障诊断提供准确的实测数据。该系统操作方便，自动化程度高，拆卸简单，单架次飞行可完成多频方向图的测试。

A Field Pattern Measurement System and Method for Large Antenna of Multi-Rotor UAV

【技术实现步骤摘要】
一种多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统及方法
本专利技术涉及天线测量
，更具体的，涉及一种基于多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统及方法。
技术介绍
一直以来，对大型固定天线或RF装置在安装的整个使用周期中辐射性能的精确了解是非常重要，例如在系统开发、系统安装和优化、系统移交和验收、系统修改和升级等方面。而在使用过程中辐射特性退化的原因是多种多样的，如老化、磨损、污染、暴风雨或闪电的破坏、动物的破坏、操作失误和周围环境的变化等。因此，对这些系统的辐射性能进行周期性的定量核查和更好的质量检查将变得至关重要。传统的大型天线辐射特性测试是利用缩比模型在暗室中进行测量，但是缩比模型无法高精度的还原被测天线的真实电性能，这使得测试结果与真实结构之间存在差异，无法正确评估天线的性能。而现场测量常由固定的或半固定的设备来完成，这些设备可以测量从待测天线到监控设备位置处的电磁场，这意味着只能测量一个特定的方位角和俯仰角。不便和复杂一直是大型阵列天线和固定天线的难点。因此，建立有效的天线现场方向图测量手段，研究大型天线在实际安装环境下的性能对于研究人员深入了解天线的性能具有重要意义。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于多旋翼无人机的大型天线现场方向图测量系统及方法，能够高效、便捷、灵活的获取大型天线在实地空间中的方向图，有效地解决了大型天线性能测量评估问题。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。一种基于多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统，包括多旋翼无人机子系统，信号源链路子系统，接收链路子系统和数据处理子系统。多旋翼无人机子系统，用于稳定发射天线，提供毫米级的定位精度，保证信号源链路设备的搭载空间和供电，设置无人机的飞行任务，并监控任务的飞行状态；信号源链路子系统，用于提供必需的发射信号，控制软件接入无人机子系统实现远程实时控制，并提供扫频功能；接收链路子系统，用于实时接收空间中的电磁来波的功率电平信号，具备扫频接收，峰值检波功能；数据处理子系统，用于测试数据的筛选，误差补偿和方向图拟合，获得不同方位面和俯仰面处的方向图。上述多旋翼无人机子系统进一步包括：RTK定位系统、云台、低电压变压模块、飞行控制单元和数据传输模块；所述RTK定位系统的移动站安装在无人机的上方，用于获得无人机相对于地面站的差分经度和纬度信息；所述云台安装在无人机的下方，用于保证发射天线在无人机受外界影响而振动时的稳定；所述低电压模块一端连接无人机的供电电池组，一端转化为低电压输出，包含5V，12V和28V三种电压输出；所述飞行控制单元，用于设置无人机在每次开展飞行任务前，输入飞行任务模式，包含飞行区域，飞行高度和飞行航次；所述数据传输模块，用于将无人机的经纬度、高度和三维姿态信息打包发送给地面的飞行控制端。上述信号源链路子系统包括：信号源远程控制软件，此软件接入无人机控制系统中，在无人机任意飞行状态和距离的情况下，都可以实现对信号源的任意控制，并且具备多频点输出功能。上述接收链路子系统进一步包括：扫频接收模块和峰值检波模块。所述扫频接收模块，可以在信号接收时间内，将扫频的任意点保留下来，并将每个测试频点加上GPS时间标记；所述峰值检波模块，在单次扫频迹线测量中，仅保存峰值处的接收功率电平值和对应的频率值，并将每个测试值加上GPS时间标记。上述数据处理子系统进一步包括：数据预处理模块，用于对无人机飞行日志、接收机测试数据进行分类导入、规整，进行时间对齐和订正，获得时间序列测试数据；用于输出待测天线的经纬度和高度信息，用于输出无人机盘旋的半径；误差修正模块，用于输入无人机的姿态误差值和距离误差值，和相对应的误差补偿电平值，在数据分析的过程中，对应的测试值将根据自身的误差进行相应的误差修正；数据分析模块，首先输入频率点以及允许的误差值范围，数据分析模块对对应的测试数据和相应的飞行日志进行提取，并根据误差修正模块的误差值进行修正，最终计算每点相对于待测天线的角度，描绘出天线在实地空间中的二维方向图。上述数据处理子系统，当采用多次测试同一个方位面或者俯仰面的方向图信息时，方向图预处理模块可以导入多组飞行日志和测试数据，供数据分析模块进行数据处理。此外，本专利技术提供一种多旋翼无人机大型天线现场方向图测量方法，该方法用于测试待测天线的现场方位面方向图信息，包括以下步骤：步骤1)将多旋翼无人机子系统展开，安装发射天线，架设RTK基准站，进行通电调试，通过飞行控制软件确定系统工作状态正常；步骤2)设置包括输出频率、输出功率和脉冲宽度信号源的输出状态；步骤3)利用飞行控制软件规划无人机飞行任务，依次输入包括飞行区域、飞行高度和航次飞行参数；步骤4)无人机到达预定盘旋点位置时，控制接收链路子系统接收功率电平数据；步骤5)将无人机飞行日志和接收功率电平数据导入到数据处理子系统中进行处理，并基于线性拟合方法生成最终的方向图信息，利用方向图给出天线在待测平面的最大辐射方向；其中方向图信息包括3dB波瓣宽度、副瓣电平和前后比等信息以及对应的经纬度、高度和朝向信息。步骤3)利用飞行控制软件输入待测点的经纬度和高度信息，分别输入测试半径、方位面角度值、俯仰面起始角度值、飞行角度范围值、航点数量和悬停时间；步骤4)无人机到预定点时，控制接收链路子系统接收功率电平数据；步骤5)将无人机飞行日志和接收功率电平数据导入到数据处理子系统中进行处理，并基于线性拟合方法生成最终的方向图信息，利用方向图给出天线在待测平面的最大辐射方向。所述步骤3)中，航次飞行参数包括测试半径、方位面角度值、俯仰面起始角度值、飞行角度范围值、航点数量和悬停时间。所述步骤5)中，方向图信息包括3dB波瓣宽度、副瓣电平和前后比等信息以及对应的经纬度、高度和朝向信息。所述步骤1)进一步包括：步骤1-1)利用部件组装集成的六旋翼无人机飞行平台的机身主体由碳纤维板组成，具有轻量化特性；底座高度70cm，可满足常见天线的搭载；与载荷平台通过定位螺母连接，方便拆卸运输；无人机飞行平台最大负载15kg,抗风等级为6级；通过RTK定位系统使无人机定位精度达到厘米级，提高了测试精度；飞行控制单元的地面站控制软件可实现悬停和绕点飞行等多种飞行任务；步骤1-2)信号源链路子系统模块，安装在无人机平台底部，实现数传设备进行无线控制和同步通信以及指令下达。本专利技术用于大型天线现场方向图测量，与传统的大型天线阵方向图测量系统相比，本专利技术的技术优势在于：测量辐射特性的手段基于稳定并具有高精度的无人机平台，在测量时更加灵活，更具可操作性。作为天线测量系统，本专利技术可以广泛的应用到大型固定天线、大型阵列天线、大型RF装置的测量中。有效的弥补了目前大型天线测量系统复杂，高成本的不足，克服了以往大型天线阵测量系统的复杂和不便，为大型天线阵测量提供了一种灵活，高效，低成本的测量新途径。对大型天线阵测量有着重要的意义。本专利技术基于稳定并具有高精度的无人机平台，无人机在飞行中天线不会晃动，能使大型天线在保持原有的尺寸的基础上，对它们的辐射特性进行高精度的测量，克服了传统缩比测量中利用缩比模型在暗室中进行测量存在差异，无法正确评估天线的性能，无法测量精度要求高，难以还原出被测天线的真实电性能的弊端。本专利技术中的无人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统，包括多旋翼无人机子系统，信号源链路子系统，接收链路子系统和数据处理子系统；多旋翼无人机子系统，用于稳定发射天线，提供厘米级的定位精度，保证信号源链路设备的搭载空间和供电，设置无人机的飞行任务，并监控任务的飞行状态；信号源链路子系统，用于提供必需的发射信号，控制软件接入多旋翼无人机子系统实现远程实时控制，并提供扫频功能；接收链路子系统，用于实时接收空间中的电磁来波的功率电平信号，具备扫频接收，峰值检波功能；数据处理子系统，用于测试数据的筛选，误差补偿和方向图拟合，获得不同方位面和俯仰面处的方向图。

【技术特征摘要】
1.一种多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统，包括多旋翼无人机子系统，信号源链路子系统，接收链路子系统和数据处理子系统；多旋翼无人机子系统，用于稳定发射天线，提供厘米级的定位精度，保证信号源链路设备的搭载空间和供电，设置无人机的飞行任务，并监控任务的飞行状态；信号源链路子系统，用于提供必需的发射信号，控制软件接入多旋翼无人机子系统实现远程实时控制，并提供扫频功能；接收链路子系统，用于实时接收空间中的电磁来波的功率电平信号，具备扫频接收，峰值检波功能；数据处理子系统，用于测试数据的筛选，误差补偿和方向图拟合，获得不同方位面和俯仰面处的方向图。2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统，其特征在于，所述多旋翼无人机子系统进一步包括：RTK定位系统、云台、低电压变压模块、飞行控制单元和数据传输模块；所述RTK定位系统的移动站安装在无人机的上方，用于获得无人机相对于地面站的差分经度和纬度信息；所述云台安装在无人机的下方，用于保证发射天线在无人机受外界影响而振动时的稳定；所述低电压变压模块一端连接无人机的供电电池组，一端转化为低电压输出；所述飞行控制单元，用于设置无人机在每次开展飞行任务前，输入飞行任务模式；所述数据传输模块，用于将无人机的经纬度、高度和三维姿态信息打包发送给地面的飞行控制端。3.根据权利要求1所述的多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统，其特征在于，所述信号源链路子系统包括信号源远程控制软件，此软件接入无人机控制系统中，在无人机任意飞行状态和距离的情况下，都可以实现对信号源的任意控制，并且具备多频点输出功能。4.根据权利要求1所述的多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统，其特征在于，所述接收链路子系统进一步包括扫频接收模块和峰值检波模块:所述扫频接收模块，可以在信号接收时间内，将扫频的任意点保留下来，并将每个测试频点加上GPS时间标记；所述峰值检波模块，在单次扫频迹线测量中，仅保存峰值处的接收功率电平值和对应的频率值，并将每个测试值加上GPS时间标记。5.根据权利要求1所述的多旋翼无人机大型天线现场方向图测量系统，其特征在于，所述数据处理子系统进一步包括：数据预处理模块，用于对无人机飞行日志、接收机测试数据进行分类导入、规整，进行时间对齐和订正，获得时间序列测试数据；用于输...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜文，程通，刘鹏，席延，李昂杰，李瑞岚，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61